A számítógépek mai színvonala és teljesítményük növekedése lehetőséget ad arra, hogy a korszerű vasúti biztosítóberendezések működését, felügyeletét nagy biztonsággal legyenek képesek ellátni. A vasúti biztosítóberendezések legújabb rendszerfilozófiája és számítógépes generációja decentralizált áramellátási igényeket követel. A számítógéppel működtetett rendszer elemei - ilyen például a váltó és hajtóműve, valamint jelen cikkünk tárgya, a váltó áramellátása - a jelenleg alkalmazottaktól eltérő rendszer-felépítési tulajdonságokkal kell hogy rendelkezzenek. A váltó áramellátó rendszerét a váltó telepítési helyén kell megvalósítani, illetve a számítógépes kapcsolat kialakítása érdekében a megfelelő illesztő felületekkel kell ellátni, továbbá gondoskodni kell a rendszert alkotó részegységek (ön)diagnosztikájáról. A kapcsolatot szabványos soros vonalon, fénykábelen vagy rádióösszeköttetés segítségével lehet megvalósítani. Az ilyen perifériákból felépített vasútbiztosító rendszer tervezése eltér a hagyományos rendszer tervezésétől, hiszen egy esetleges bővítés esetén elegendő a szükséges perifériákat telepíteni és azokat a központi számítógép működésébe bevonni.

Az áramellátó rendszerrel szemben támasztott követelmények

Az egyedi, váltóállító motort tápláló áramellátó rendszer paramétereinek meghatározásához a MÁV Rt.-nek a váltók üzemeltetése során szerzett és nekünk átadott, valamint cégünk egyéb ez irányú tapasztalatait használtuk fel. Mivel a rendszer a váltó közvetlen közelében kerül elhelyezésre, a tercezésnél azokat a mérési eredményeket vettük figyelembe, amelyeknél a tápláló hálózat impedanciája zérusértékű. Ez a feltétel a működés szempontjából a legkedvezőbb tulajdonságokat biztosítja, ugyanis a kapocsfeszültség stabil értéke a lehető legnagyobb nyomatékot (és a legkisebb működési időt) eredményezi. A tervezés során az inverter kialakításakor felvetődött, hogy - mivel motort táplál - a motor kapocsfeszültség-frekvencia hányados konstans értéken tartásával megvalósítandó lágy indítási módszert alkalmazzunk. Mérési eredményeink azt mutatják, hogy a motor kezdeti tranziens árama az állandósult állapothoz képest mintegy 3,5-szeres értéket vesz fel, és a tranziens jelenség 5 perióduson, azaz 100 ms időtartamon belül lezajlik. Ha alkalmaznánk az előbb említett lágy indítási módszert, a felfutási időt minimum ötszörös értékre növelve az áramot névleges értéken lehetne tartani változatlan indítónyomaték mellett. Ennek a megoldásnak a hátrányát a berendezés bonyolultabb vezérlő áramköre, illetve a hálózati üzemmód (amely meghibásodás esetén táplálja a motort) közötti különbségből adódó, előre nem látható körülmények jelentik. Ha a berendezéssel szemben támasztott követelményeket a hálózathoz igazítjuk, akkor a két üzemmód (inverter vagy hálózat) között nem lesz számottevő különbség, amelyet jelentős üzemeltetői szempontnak tartunk. Ezenkívül nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a váltóhajtómű mechanikai sajátosságából adódóan a váltórúd mozgása közben a motor kapocsfeszültségei a hajtómű pillanatnyi állásától függően változnak. A motor üzemében, miközben a hajtómű a váltókart az egyik véghelyzetből a másik véghelyzetbe mozgatja, a következő üzemállapotok alakulnak ki, illetve a hajtóműben elhelyezett görgős kapcsolók a hajtóműmotor futása közben az alábbi kapcsolási csoportokat hozzák létre:

• Motorindítás T kapcsolásban.
• Motorgyorsítás Y kapcsolásban "0" vezetővel.
• Szabad futás Y kapcsolásban "0" vezető nélkül.
• Féküzem. Az R-T fázisok között 400 V (380 V) AC, míg az R-S fázisok között 0,3 A DC.

A lágy indítás alkalmazásakor a hajtóműben található villamos reteszeléseket át kellene alakítani, és ennek következtében megszűnne annak a lehetősége, hogy a továbbiakban a motort hálózati feszültségről is táplálhassuk Az adott feladat egy lehetséges megoldását tehát egy olyan inverter jelenti, amelynek kimeneti feszültsége a legjobban megközelíti az ideális háromfázisú hálózat jellemzőit. Ezzel a megoldással elérhető, hogy meghibásodás esetén a hajtóművet hálózatról üzemeltetve a váltó működési jellemzői nem változnak az inverter tápláláshoz képest.

Az áramellátó rendszernek működése során szünetmentességet kell biztosítani, ezért a lehetséges hálózatkimaradások áthidalásához energiatárolót (akkumulátort) szükséges beépíteni az inverter bemeneti feszültségének folyamatos fenntartására (1. ábra).

Az áramellátó rendszerrel szemben támasztott követelmények:

• Kimeneti feszültség: 3x400/230 V (3x380 V/220 V) kivezetett csillagpont
• Torzítási tényező (THD_u): <5%
• A kimeneti feszültség frekvenciája: 50 Hz ± 1Hz
• Dinamikus viselkedés: 0%-100%-0% terhelésváltoztatás esetén DU(t)<0,1U_N(t), t_sz<10 ms
• Kimenő fázisáram: max. 10 A csúcs. max. 250 ms ideig név. 2,2 A eff. 1: 10 kitöltési tényezővel, de max. 30 s ideig
• A terhelés megengedett fázistényezője: cos f>0,7 ind.
• A terhelés megengedett aszimmetriája: 100 %
• Az aszimmetrikus terhelésen kívül féküzemben 0,3A DC összetevő is kialakul
• Működési hőmérséklet: -25 °C, +60 °C

A váltó (közvetlen) közelében elhelyezett szünetmentes áramellátó rendszert akkumulátortöltő, akkumulátor, inverter és átkapcsoló egység alkotja. A rendszer jelentősebb energiát csak a váltó működtetése során igényel, amelyet a hálózati feszültség megléte esetén az akkumulátor és az akkumulátortöltő együttesen, illetve a hálózat meghibásodásakor esetén csak az akkumulátor szolgáltat. Mivel a váltóállítási időn kívül csak a segédtápegységek energiaellátását kell biztosítani, váltóállítás után van idő az akkumulátor visszatöltésére. Emiatt kisebb teljesítményű akkumulátortöltő és kisebb kapacitásíi akkumulátortelep beépítése szükséges, mint az állandó terheléssel folyamatosan dolgozó inverter esetén.

Az akkumulátortöltő és az inverter szükséges teljesítményét, valamint az akkumulátor kapacitását az előzőekben tárgyalt üzemállapotok, illetve a működési gyakoriság figyelembevételével kell meghatározni.

Az inverter teljesítményének kiválasztásához figyelembe kell venni, hogy a váltó átállításának kezdetekor a motor rövid ideig a futás alatti áramtól jelentősen eltérő (mintegy 3,5-szer nagyobb) áramot vesz fel, továbbá hogy a váltóállítások milyen sűrűn követik egymást, hiszen az átlagos igénybevételt ez határozza meg. A rendelkezésre álló adatokból a szükséges teljesítmények kiszámíthatók.

Az előbbi megfontolások figyelembevételével olyan invertert kell alkalmazni, amely szolgáltatni tudja a motor bekapcsolási tranziens áramát, a periodikus igénybevétel hatására sem melegszik túl, és az ára a tényleges igénybevételhez optimalizált. Mivel a bekapcsolási áram tranziens értékét és időtartamát külső paraméterek határozzák meg (a váltóhajtómű pillanatnyi mechanikai állapota, külső hőmérséklet, időjárási viszonyok stb.), ezek az értékek jelentősen változhatnak. A bekapcsolási tranziens csúcsáramot - állandó bemeneti feszültség mellett - a motorarmatúra impedanciája egyértelműen meghatározza. Ezért belátható, hogy az inverter kimenő áramának korlátozását ennél nagyobbra választani felesleges. A maximális kimenő áram pedig determinálja a beépítendő (alkalmazandó) inverter maximális kimenő teljesítményét. A bekapcsolási tranziens időt természetes módon a pillanatnyi külső paraméterek határozzák meg, ezért ha a váltóhajtómű vesztesége az előbbiekben említett okok miatt megnő, a tranziens idő is nő. Különleges esetekben elképzelhető, hogy a hajtás a tervezettől eltérően (pl. hibás hajtómű, nem megfelelő működtetés stb.) egymás után többször, vagy folyamatosan hosszú ideig működik, és ennek következtében az inverter túlmelegedhet. Az inverter kialakításánál ezt az üzemeltetési körülményt is figyelembe kell venni, ezért a túlmelegedés elkerülésének érdekében túlmelegedés elleni védelmet kell beépíteni.

Az áramellátó rendszer üzembiztonságának a lehető legnagyobb mértékben történő fenntartásához feltétlenül szükséges olyan ellenőrző funkciók beépítése, amelyek a működési állapotokat, a működési készséget folyamatosan vizsgálják. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátortöltő, az akkumulátor és az inverter diagnosztikai rendszerét egyenként és egymástól függetlenül kell kialakítani. Az ellenőrző áramkör meghibásodása esetén függetlenül attól, hogy a vizsgált áramkör hibátlanul működik, hibát kell jelezni. A hiba esetén a hibajelzést (legyen az fő vagy diagnosztikai) a biztosítóberendezés részét képező központi számítógép felé kell továbbítani.

A szünetmentes áramellátó rendszer főáramkörének felépítése és működése

Az inverter főáramköre a következő egységeket tartalmazza (2. ábra):

• soros bemeneti biztosító (F)
• aluláteresztő szűrőegység (L_BE C_BE)
• IGBT félvezetőkből felépített 1 fázisú hidak (R, S, T HÍD)
• soros kimeneti fojtók (L_R, L_S, L_T)
• 3 fázisú, 5 oszlopos transzformátor (TR)
• kimeneti szűrőkondenzátorok (C_R, C_S, C_T)
• átkapcsoló egység (IK, HK)
• hálózati zavarszűrő egység (SZKI)
• hálózati biztosító (FH)

A szünetmentes áramellátó rendszer felépítése és működésének ismertetése során nem térünk ki az akkumulátortöltő és az akkumulátor felépítésének és működésének ismertetésére, csak annyit jegyzünk meg, hogy az akkumulátortöltő és az akkumulátor feladata a váltó üzemeltetése során minden lehetséges üzemállapotban az igényelt valamennyi egyenfeszültségű energia szünetmentes biztosítása. Ezt az energiát a hálózati feszültség megléte esetén az akkumulátor és az akkumulátortöltő együttesen, illetve a hálózat meghibásodása esetén csak az akkumulátor szolgáltatja.

Részletesen csak az inverter felépítését és működését ismertetjük. A bemeneti feszültség az (F) jelű biztosítón
keresztül kapcsolódik a bemeneten található aluláteresztő szűrőre. A biztosító belső áramköri zárlat esetén védi az akkumulátort. Az L_BE, C_BE aluláteresztő szűrő az inverter által keltett - szimmetrikus terhelésnél 300 Hz, aszimmetrikus terhelésnél pedig 100 Hz -, a bemeneti egyenfeszültségre szuperponált váltakozó feszültségű összetevő értékét a még megengedhető értékre csökkenti az akkumulátor számára. A váltóállító motor kapcsai az áramellátó rendszerre IK és HK kapcsolókon keresztül csatlakoznak. A hajtómű motorjának működtetését az inverter vezérlő, szabályozó áramköreinek aktivizálásával lehet kiváltani (távoli kontaktus, rádióadó stb.). Ha IK és HK kapcsolókat a gyakorlatban félvezetőkkel valósítjuk meg, a hajtóművet kivéve mechanikai mozgó alkatrész nem lesz található a rendszerben, ezzel a berendezés megbízhatósága jelentősen megnövelhető. A háromfázisú feszültség előállítását fázisonként IGBT félvezetőkből álló teljes híd végzi. A hidak váltakozó feszültségű kimenetei soros fojtókon (LR, LS, LT) keresztül a háromfázisú, ötoszlopos transzformátor primer tekercseire kapcsolódnak. A hídkapcsolás segítségével a transzformátor primer feszültségét oly módon állítjuk elő, hogy a félvezetőket meghatározott logika szerint kapcsolgatjuk. Pozitív vagy negatív feszültség előállításához a hídátlókat, zérus feszültséghez pedig az alsó vagy felső félvezető párokat kell bekapcsolni. A transzformátor ötoszlopos kialakítására az aszimmetrikus terhelés okozta gerjesztési egyensúly megváltozása miatt van szükség. A transzformátor szekunder tekercsei csillag kapcsolásúak, és kivezetett nulla vezetővel rendelkeznek. A szekunder tekercsekkel párhuzamosan találhatók a szűrőkondenzátorok (CR, CS, CT), amelyek a primer oldalon sorosan elhelyezett fojtókkal együtt alkotják a kimeneti szűrőkört. A háromfázisú kimeneti feszültség az IK kapcsolón keresztül jut a motor kapcsaira. Inverter meghibásodás esetén gondoskodni kell arról, hogy a rendelkezésre álló háromfázisú hálózat nagy biztonsággal tudja táplálni a hajtómű motorját. Hiba esetén a hálózat az FH jelű kismegszakítón és a kimeneti szűrőn keresztül a HK kapcsoló bekapcsolásával jut a kimenetre. A hálózati zavarszűrő egység meagakadályozza, hogy a berendezés által keltett zavarok a hálózati bemenet felé ne lépjék túl a szabványban megengedett értékeket.

Az inverter megvalósításánál figyelembe kell venni, hogy a szakaszos üzem miatt kisebb teljesítményű induktív elemek és kevesebb hűtőfelület beépítése szükséges.

Szabályozási stratégia

A korábbiakban már ismertetett üzemállapot-változások által létrejött tranziens terhelésváltozások miatt mindhárom fázisban külön-külön szabályozó áramköröket kell alkalmaznunk, mivel csak így biztosítható, hogy a háromfázisú feszültségvektor a működési folyamat közben ne torzuljon és a legjobban közelítse az ideális hálózat jellemzőit. Az alkalmazott szabályozókör megvalósításánál fontos, hogy az inverter kimenetére csatlakoztatott motor kapcsaira, a bekapcsolásakor keletkező feszültség-tranziens (az inverter kimeneti feszültségének kialakulása) minél rövidebb és lengésektől mentes legyen. A szabályozó áramkör megvalósításának egy lehetséges alternatívája a követő szabályozás. Követő szabályozást alkalmazva könnyen megvalósítható, hogy a kimeneten fellépő tranziensek a terhelés be és kikapcsolásakor a lehető legkisebbek legyenek, ezért a fejlesztés során ezt a megoldást választottuk.

Jelenleg az áramellátó rendszer fejlesztési munkái folynak. A konstrukció kialakításánál arra törekszünk, hogy egy olyan robusztus és kompakt, természetes szellőzéssel biztonságosan üzemelő rendszert készítsünk, amely teljes körűen kielégíti a felhasználói igényeket. Az akkumulátortöltő, a háromfázisú inverter, a hálózati átkapcsoló és mindhárom diagnosztikai egység egy egységben került elhelyezésre, míg az akkumulátortelep a berendezés (közvetlen) közelében telepíthető.

Irodalom

• [1] Molnár Károly: "A vasúti biztosítóberendezések 336V névleges közbensõköri egyenfeszültségû, szünetmentes egyen- és váltakozófeszültségû áramellátó rendszerei" címû elõadás - MÁV áramellátási konferencia. Miskolc 1995
• [2] Németh Géza: "A háromfázisú váltóállító hajtómûveket tápláló korszerû inverterek és váltakozófeszültségû szünetmentes áramellátó rendszerek" címû elõadás - PowerQuattro Kft. áramellátási szimpózium. Siófok 1997
• [3] Molnár Károly: "Fejlesztési szempontok a PowerOuattro Kft.-ben" címû elõadás - PowerQuattro Kft. áramellátási szimpózium. Siófok 1997
• [4] Németh Géza: "A korszerû inverterekkel szemben támasztott követelmények" címû elõadás - Erõmûvi szimpózium. Mátrai Erõmû 1997
• [5] Németh Géza: "Az inverterek kiválasztásának szempontjai a fogyasztó igényeinek figyelembevételével" címû elõadás - PowerQuattro Rt. áramellátási szimpózium. Siófok 1998
• [6] Németh Géza: "A szünetmentes áramellátó rendszerek inverterének és átkapcsolójának kiválasztási szempontjai" címû elõadás - PowerOuattro Rt. áramellátási szimpózium. Siófok 1999